城市化背景下年最大日径流演变及影响因素研究——以长江下游秦淮河流域为例

随着气候变化和人类活动的加剧,城市化地区水文过程受到较大影响,极端水文事件发生频率显著加大,探究城市化地区洪水演变和驱动机理对于防洪减灾具有重大意义。本文以长江下游快速城市化地区的秦淮河流域为例,分析了1987—2018年期间该流域年最大日径流的演变特征,构建多元线性回归模型和广义可加GAMLSS模型识别了关键驱动因子并量化其贡献作用。结果表明:(1)城市化背景下秦淮河流域年最大日径流呈现显著上升趋势,平均增长速率为14.77 m^(3)/(s·a),并于2001年发生显著突变。(2)汛期降水量和不透水面率是年最大日径流变化的关键驱动因素,最优模型显示前者贡献率超过了70%,表明了降水改变的决定性作用,而不透水面率贡献率超过20%则表明了下垫面的改变对年最大日径流演变存在显著影响。(3)不透水面的增加对年最大日径流和汛期降水量响应关系的影响程度从突变前的6.7%增加到突变后的10.4%,快速城市化已显著改变了流域降水-径流响应过程。研究表明,随着城市发展秦淮河流域的年最大日径流受到人类活动显著影响,洪涝威胁日趋增大,研究结果可为城市化地区防洪减灾提供一定参考。

基于城市下垫面产汇流视角的盱眙县极值雨型和最大径流关系分析

选取江苏省淮安市盱眙县为研究区,通过文献研究法、芝加哥雨型法及统计分析方法,对盱眙县极值降雨雨型和最大径流关系进行研究.结果表明:1957-2020年,年均降水量为1 015 mm,且呈波动上升趋势,主要集中在7-8月,占比40%;年均蒸发量最大值在6月,占比12.7%;1957-2020年,最大日降水量均值为45 mm,其中64年中最大日降水量为1970年7月27日的233.2 mm;在120 min模式雨型中,雨峰系数确定为0.4,降雨强度呈单峰型分布;年径流总量控制率从60%提高到95%,对应的设计降水量从16.3 mm提高到71.5 mm,且设计降水量的增速越快.

基于小波的Volterra模型对黄河源区径流混沌预测的研究

为进行黄河流域水文系统的混沌特性研究和预测,深入了解黄河流域水文系统的运行机制和规律,基于相空间重构、混沌识别与混沌预测理论,对黄河源区唐乃亥水文站1956—2021年月径流时间序列进行分析,利用互信息法求时间序列的时间延迟τ,利用改进虚假邻近点法(CAO法)求该序列的嵌入维数m,并利用改进C-C法对时间延迟τ与嵌入维数m的计算结果进行验证,最终确定时间延迟τ为3,嵌入维数m为5。通过小数据量法计算最大Lyapunov指数,并对月径流量时间序列进行定量的混沌分析,得出最大Lyapunov指数λmax=0.0481>0,确定唐乃亥月径流量时间序列具有混沌特征。通过基于小波分析的二阶Volterra级数一步模型对混沌时间序列进行模拟预测,并与单纯二阶Volterra级数一步模型进行对比,发现基于小波分析的二阶Volterra级数一步模型模拟结果的纳什效率系数可达0.8551,比未经小波分析的模型更好模拟出唐乃亥站月径流量时间序列的演变规律。

径流量和海平面变化对河口最大浑浊带的影响

应用改进的ECOM模式,耦合泥沙输运方程,研究径流量和海平面变化对河口最大浑浊带的影响.河口最大浑浊带位于滞流点处,底层上下游余流均向该处输运泥沙,造成该处泥沙汇合,而由流场辐合产生的上升流又使该处的泥沙不易落淤.由于盐水入侵带来的高盐水位于北岸的底层,其斜压效应使底层的横向环流由北向南流动,把底层高浓度的泥沙向南岸平流,使得最大浑浊带位于南岸.研究河口最大浑浊带现象必须使用三维泥沙输运模式.在径流量增大的情况下,与控制试验相比底层向陆的密度流减弱,滞流点下移,导致最大浑浊带也下移;因上游来沙量增加,在最大浑浊带中心和河口拦门沙处悬浮泥沙浓度趋于增加.在径流量减少的情况下,最大浑浊带的变化趋势与径流量增大情况的结果相反.在海平面上升的情况下,拦门沙区域底层向陆的密度流趋于增强,滞流点上移,最大浑浊带也相应向上游移动;最大浑浊带中心处泥沙浓度趋于增大,但口门拦门沙处泥沙浓度趋于减小.径流量和海平面变化对最大浑浊带影响明显.

应用推理公式推求不同形状小流域设计流量

针对采用推理公式推求小流域设计洪水,当净雨历时小于汇流历时时引进流域矩形概化假定使计算获得的洪峰流量偏小,基于矩形、菱形、椭圆形流域形状应用推理公式推导了倒三角形、扇形流域的最大共时径流面积,并归纳了洪峰流量的统一表达式,减小了因流域最大宽度的随意取值导致的误差。实例结果表明,该方法为不同形状小流域设计流量提供了有效可行的计算方法。

论推理公式的基本原理和适用条件

推理公式Qm=CIA是假定在流域汇流时间τ内,降雨强度I、径流系数C和汇流速度V三者的时空分布都是均匀的,流域形状呈矩形,并且洪水前底水为零,而建立起来的。用等流时线法的概念和流域汇流理论,证明了推理公式没有考虑流域调蓄作用,也没有考虑槽面降水和地下径流的影响。因此,推理公式只适用于山区丘陵区小流域的设计洪水计算,而不适用于平原河流和平原河网地区排涝计算。

基于最大熵谱估计的水文周期分析

最大熵谱估计法是以AR模型为基础的一种参数谱估计方法。该方法通过频谱分析，可以计算出全局性的主要周期，从而反映出水文时间序列的整体特性。介绍了最大熵谱估计法的基本概念和理论，并论述了用Burg算法作为求解AR模型参数的方法。针对岷江紫坪铺水文站1937-2004年的年径流实测资料，将最大熵谱估计理论应用于水文时间序列周期的提取上，并采用Fisher检验方法对提取出的周期进行了检验。通过分析发现，岷江紫坪铺站年径流序列存在4年左右的变化准周期，对揭示岷江中上游水文周期的变化规律具有一定的探讨意义。在研究中同时也发现，最大熵谱估计也存在一定的缺陷，在今后的研究中还需进一步建立熵与水文过程之间的联系，从而更好地揭示出水文时间序列的变化规律。

基于最大熵原理的径流预报误差分布规律研究

为了更好的研究径流预报误差的分布规律,应用最大熵原理,建立径流预报误差分布的最大熵模型;以官地水库径流预报系列为例,计算其不同预见期的径流预报误差概率密度函数及分布曲线,将该分布曲线与理论正态分布曲线和样本直方图进行对比,结果表明最大熵法求得的误差分布能更好地描述径流预报误差的分布特性。考虑流域径流年内的丰枯变化,以枯水期、汛期和过渡期对径流系列进行划分,分别分析各个时期的误差分布规律,并给出预报误差在不同置信区间下的置信度,从而更好地掌握径流预报误差的分布规律,为提高径流预报精度提供一条新途径。

基于极大熵的径流变化规律分析研究

讨论了径流时间序列的极大熵谱分析,与传统的谱分析进行了比较,指出了极大熵谱法的高分辨率特性及其在水文学方面的应用前景.对黄河上游兰州站年径流时间序列分析的实例验证表明,兰州站具有11,6.25和3年的主周期,证实了该方法的可行性.

基于小波分析的年最大径流预测方法

径流序列可以看成是各种不同成分线性叠加构成的时间序列。利用小波变换良好的局部化时频分析能力，将年最大径流序列进行分解，使其趋势项、周期项和随机项得以分离。各子序列分别代表不同的时间尺度，反映了各种物理因素对径流过程的影响。然后根据各子序列的特性分别建立幂函数、周期函数或ARMA模型并进行预测。最后将各子序列的预测值合成，得到年最大径流序列的预测值。对宜昌站1991-2002年最大径流量的预测结果表明，该方法是切实可行的。并指出小波包变换在分析中、高频信息方面优于小波变换，有助于进一步提高预测的精度。

长江上游森林植被水文功能研究

长江上游森林林冠截留量与林分郁闭度呈正相关， 当亚高山冷杉林的林分郁闭度为0．7时(5～7月)， 平均截留率为24％， 当郁闭度在0．3时(5～7月)， 平均截留率降为9．5％；从枯落物持水量来看， 箭竹冷杉林最大(6．0mm)， 藓类冷杉林最小(2．8mm)， 主要因为前者有较多的落叶伴生树种和灌木。岷江冷杉原始林的土壤最大持水量、枯落物最大持水量、苔藓层最大持水量比皆伐后形成的其他森林类型要大2．3～17．2倍， 从而具有更好的水源涵养功能。植被对径流的影响初步结论是， 森林大流域的年径流量常常大于少林或无林流域的径流量；不同采伐强度径流量比较是皆伐迹地＞择伐迹地＞原始森林。与全国其他森林类型的蒸发散研究比较显示， 长江上游森林的相对蒸散率较低， 为30％～40％， 这主要是由于海拔较高， 降水量大所致。

汉江上游洪水特性复杂度分析

以汉江上游的两个代表站——石泉和安康水文站的年径流量及年最大洪峰流量时间序列为例,对径流特性和暴雨洪水特性进行了分析,结果表明:洪水年际变化极不稳定,流量变化幅度很大,年最大洪峰流量变化呈下降趋势;径流年内分配丰枯明显,径流年际分配不均匀,径流量总体呈下降趋势。现采用近似熵(ApEn)及算法复杂度C0作为复杂性测度,对石泉、安康水文站的年径流量和年最大洪峰流量序列进行了复杂性分析,分析得到年径流量的复杂性比年最大洪峰流量的复杂性大,即年径流序列的随机(复杂)程度越大。这一有益的结论表明年最大洪峰流量的可预测性大于年径流量,进一步研究年最大洪峰流量的预测方法对水库防洪具有重要的意义,并为汉江上游的防洪与发电调度起借鉴作用。

淮河鲁台子—石头埠段动态纳污能力估算及水质污染预测预报

依据一维水质模型,估算动态纳污能力、预测污水对目标河段水质的影响。以淮河干流鲁台子—石头埠段为例,针对河段内淮南市饮用水源的水质要求,在不同的上游来水条件下,计算闸控支流污水的最大允许下泄量;预测污水团到达水源区的浓度。

MIC-PCA耦合算法在径流预报因子筛选中的应用

解决径流预报因子筛选中存在的信息量不足或冗余等问题,引入一种具有普适性的新的相关关系分析方法——最大信息系数法(MIC),并结合主成分分析法剔除冗余信息实现变量空间降维的能力,提出最大信息系数——主成分分析耦合算法(MIC-PCA)。以雅砻江流域打罗水文站日径流预报为例,将MIC-PCA与多种因子筛选方法的筛选结果进行对比,并将各方法筛选出的因子集输入到BP人工神经网络对日径流进行预报以验证其合理性。结果表明,该方法较现行方法,能为预报模型提供更加科学有效的输入,从而提高模型的预报精度,对水文预报研究有着一定的理论意义。

基于极大熵谱估计的径流周期分析

目的:探索河川径流的周期波动性,揭示河川的径流的丰枯交替以及干枯或洪峰的规律,进而计算出全局性的主要周期,从而达到反应河川径流整体特性的目的.方法:运用极大熵谱法,经基于Burg算法的AIC准则来选择模型参数,分析河川径流的主要周期.结果:将极大熵谱分析方法应用于后河径流演化规律分析中,结果显示:后河具有5年的显著周期.结论:极大熵谱分析法分辨率高,也可为未来总结、预测年径流变化的规律奠定基础.

塔里木河流域最大灌溉面积与超载情况探讨

基于塔里木河流域水资源量及利用水平资料,结合《塔里木河流域工程与非工程措施五年实施方案》,通过Mann-kendall单调趋势检验及未来趋势变化Hurst指数检验分析了近20 a来塔里木河流域耕地面积变化特征,计算探讨了该流域现状水平年(2010年)以及规划年(2020年)可承载的最大灌溉面积、现状水平年灌溉面积超载情况、不同来水频率下规划年规划灌溉面积超载和生态水保证情况。结果表明:(1)1990-2010年流域耕地面积显著增加,且在未来一段时间将持续增加。(2)现状水平年流域可承载最大灌溉面积为129.06万hm^2,除和田河外其它均超载,超载面积共计43.33万hm^2。(3)规划年在25%来水频率下,除了开都-孔雀河流域其他均不超载,但是相等规划灌溉面积在枯(特枯)水期会出现超载现象,规划灌溉面积的制定还要参照枯(特枯)水期流域能承载的最大灌溉面积;在50%、75%及90%来水频率下,流域规划灌溉面积超载严重,管理部门应认识到灌溉面积规划中存在的问题,提出更加科学的规划方案。(4)在25%、50%、75%及90%等4种来水频率下2020年流域生态水分别可保证95.7%、81.2%、61.4%、44.2%,表明在规划年的枯水期生态水供应有一定压力。本研究为遏制塔里木河流域自然生态和环境恶化趋势提供了基础依据,对流域以水资源量来定人工绿洲规模、优化水资源利用规划与配水制度意义重大。

屋顶绿化基质雨水滞蓄效果影响因素研究

绿化屋顶基质层吸水饱和时的蓄水含量定义为最大含水量,最大含水量是绿化屋顶雨水滞蓄效果的重要评价指标。选择陶粒、草炭、煤渣等按不同组合不同配比设计6组基质配制方案,通过人工模拟降雨试验,探究了不同基质厚度、降雨强度及基质类型对屋顶绿化基质雨水滞蓄效果的影响。结果表明:对于同种屋顶绿化基质层,厚度、降雨强度不影响其最大含水量,但厚度越大,蓄水总量越大,延迟产流时间越长,而降雨强度越大,延迟产流时间越短;对于不同种绿化基质层,总孔隙度较大的基质组其最大含水量也相对较大,但基质层持水性与颗粒不均匀系数有关,颗粒越均匀,其持水性能越低。

混合补给河流可能最大洪水计算方法的探讨

以新疆西部山区河流为例,采用推求可能最大降水,将气温过程及积雪深度极大化,再经融雪径流模型进行产汇流计算求得可能最大洪水的方法,并将其应用于实际工程中。

基于局部均值分解和最大熵谱估计的径流分析

研究径流序列的变化规律是水文预报的重点,如何将非平稳非线性的径流序列分解为平稳序列是当前水文领域的研究难点之一。基于此建立局部均值分解和最大熵谱估计耦合模型,以密云水库上游控制入库的下会站月径流序列为例,尝试将局部均值分解用于径流序列的时频分解,并采用最大熵谱估计分析各分量频率,以检验分解结果,获取径流序列更多有效频率信息。结果表明:局部均值分解能够对下会站径流序列进行分解且分解结果良好,各分量在最大熵谱检验中均呈现出一个主要周期,其对应值分别为2个月、6个月、18个月、5年、11年和22年。该方法在实际案例中的成功应用表明局部均值分解和最大熵谱估计耦合模型能够为水文时间序列分析及预测提供新的思路。

四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的临界条件

探明强降雨下泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件对预防泥沙灾害及减少水土流失将起到至关重要的作用。选取典型的四川紫色土试验区鹤鸣观小流域为研究对象,采用数据分类统计对比分析方法,对试验站近10年降雨径流输沙资料进行分析,研究强降雨情况下次降雨量、降雨强度和降雨历时等对泥沙输移突增的影响,找出导致泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件。研究结果表明:四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的关键特征因子为次降雨量、降雨强度以及最大径流模数;同时各关键因子的临界值分别为降雨强度5.3 mm/h,次降雨量130 mm,以耕作方式为主的坡地最大径流模数临界值为6 000 dm3/(km2·s),以种植林草为主的坡地最大径流模数临界值为3 000 dm3/(km2·s)。